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Stofflicher Speicher
BMWi
Schwungmassenspeicher 12.4.2017

Forscherteam mit kinetischem Energiespeicher HP180 (von links): Maximilian Schneider, Lukas Quurck, Michael Richter und Dr. Hendrik Schaede.
© Katrin Binner

Neue Bauform reduziert Systemkosten

Schwungmassenspeicher können eine wichtige Rolle zur Stabilisierung

des Stromnetzes übernehmen. Innerhalb von Millisekunden stellen sie bei

Bedarf hohe Leistungen zur Verfügung. Die Kurzzeit-Stromspeicher wirken

zugleich als aktive Spannungsfilter zur Optimierung der Stromqualität.

Im Projekt KoREV-SMS entwickeln Wissenschaftler einen

Schwungmassenspeicher in Außenläufer-Bauform. Sie erreichen dadurch eine

höhere Energiedichte bei geringeren Anschaffungskosten als

konventionelle Schwungmassenspeicher.

Projektstatus Komponenten-Versuche
Typische Anlagengröße – Energie [MWh] 0,001 bis 0,01
Typische Anlagengröße – Leistung [MW] 0,05 bis 0,2
Energiedichte gravimetrisch [Wh/kg] 10 bis 30 (nur Rotormasse)
Leistungsdichte gravimetrisch [Wh/kg] 300 bis 1.200 (nur Rotormasse)
Wirkungsrad AC/AC 0,92
Speicherverlust [1/d] > 100 %, daher Einsatz als Kurzzeitspeicher
Zyklenfestigkeit > 100.000, unabhängig von Entladetiefe
Brauchbarkeitsdauer der Anlage (1 Zyklus/Tag) Nur abhängig von Lebensdauer d. Leistungselektronik (ca. 10 Jahre)
Typische Entladezeit 1 bis 5 min
Ansprechzeit bei Breitstellung der Energie < 100 ms
Typische Zeit zwischen Ein- und Auslagerung Max. 10 min
Anwendungsfelder, Beispiele Lastgangglättung, Netzstabilisierung, unterbrechungsfrei Stromversorgung, Inselnetze mit hohen Anteilen Erneuerbarer Energien
Projektlaufzeit November 2015 bis November 2018

Neue hochfeste Faserverbundstoffe erlauben heute Drehzahlen und Bauformen für Schwungmassespeicher, die die früher eingesetzten Stahl oder Titanrotoren zum Bersten gebracht hätten. Da die kinetische Energie mit der Geschwindigkeit der rotierenden Masse quadratisch steigt, lassen sich weitaus höhere Leistungen bei kleinerem Gewicht und kompakter Baugröße realisieren.
Im Projekt KoREV-SMS wollen die Wissenschaftler diese Technologie für konkurrenzfähige, langlebige Energiespeicher fortentwickeln, die Systemdienstleistungen für ein stabiles europäisches Stromnetz erbringen. Die Forschung soll insbesondere die spezifischen Anschaffungskosten senken und die Verfügbarkeit des Systems bei Wartungsintervallen von drei bis fünf Jahren sicherstellen. Dadurch könnten die Lebenszykluskosten unter denen konkurrierender Speicher wie Lithium-Ionen-Batterien oder Supercaps sinken.

  • Auf Stator montierter FKV-Außenläuferrotor des kinetischen Energiespeichers ETA290 eines vorangegangen Projekts. &copy; Institut für Mechatronische Systeme
  • In einer Forschungsfabrik aufgebauter kinetischer Energiespeicher ETA290 eines vorangegangen Projekts. &copy; Institut für Mechatronische Systeme
  • Entwurf des Stellvertreterprüfstands zur Dauerfestigkeitsprüfung der FKV-Rotors. Der obere Teil ist eine magnetgelagerte Spindel, die den unten dargestellten Probekörper beschleunigt und abbremst. &copy; Institut für Mechatronische Systeme
  • Prüfstand an dem die elektronikreduzierte Magnetlagersensorik getestet wird. Links ist die Auswertelektronik und die Magnetlagerverstärker zu sehen. Rechts daneben ist ein Test-Magnetlager aufgebaut. &copy; Institut für Mechatronische Systeme
  • Schnittansicht des Prüfstands an dem das planetare Fanglagerkonzept an einem Innenläufer getestet werden soll. Links sind die beiden Fanglagerebenen dargestellt, in der Mitte der Rotor, der ähnliche dynamische Eigenschaften aufweist wie die Schwungmassen der kinetischen Energiespeicher, und ganz rechts ist der montierte Prüfstand zu sehen. &copy; Institut für Mechatronische Systeme
  • Erster am Institut für Mechatronische Systeme aufgebauter kinetischer Energiespeicher in Außenläuferbauform. &copy; Institut für Mechatronische Systeme
  • Innenansicht des Rotors. &copy; Institut für Mechatronische Systeme
  • Kinetischer Energiespeicher HP180 auf Teststand. &copy; Katrin Binner
  • Forscherteam mit kinetischem Energiespeicher HP180 (von links): Maximilian Schneider, Lukas Quurck, Michael Richter und Dr. Hendrik Schaede. &copy; Katrin Binner
  • Forscher des IMS bei der Arbeit am kinetischen Energiespeicher HP180 &copy; Katrin Binner

Die Forscher können auf ein vorangegangenes Forschungsprojekt aufbauen. In diesem war der weltweite erste Funktionsnachweis eines Schwungmassenspeichers in Außenläufer-Bauform gelungen. Bei dieser Bauform ist die Schwungmasse als Hohlzylinder ausgeführt. Dieser rotiert um einen feststehenden Stator. Eine Welle, über welche die Schwungmasse an konventionelle Innenläuferkomponenten gekoppelt ist, existiert nicht. Die im Hochvakuum berührungslos magnetisch gelagerte Schwungmasse wird über eine integrierte elektrische Hochdrehzahlmaschine auf bis zu 21.000 Umdrehungen pro Minute beschleunigt.

Auf die Geschwindigkeit kommt es an

Durch höhere Drehzahlen steigern die Forscher die Energiedichte des Speichers und senken so die spezifischen Anschaffungskosten. Sie wollen die Festigkeit der Schwungmasse aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) maximal ausnutzen ohne die Zuverlässigkeit zu gefährden. Da sich für den Rotor viele verschiedene Faser-Matrix-Kombinationen und unterschiedliche Fertigungsverfahren anbieten, ermitteln sie experimentell deren Festigkeitswerte. Die Betriebsfestigkeit als Funktion der relevanten Betriebsparameter (Temperatur, Lastzyklenzahl, Lastdauer) wird für jeden Werkstoffkandidaten experimentell ermittelt. Hierfür muss zunächst ein geeignetes Prüfverfahren entwickelt und qualifiziert werden. Durch statistisch abgesicherte Reihenuntersuchungen an relevanten Faser-Matrix-Kombinationen soll abgeleitet werden, welche Materialien und Fertigungsverfahren sich eignen, um Energieinhalt und -dichte signifikant zu steigern. Abschließend sollen die Ergebnisse auf voll skalierte FKV-Schwungmassen übertragen werden.

Betriebsfestigkeit prüfen

Die Betriebsfestigkeit der Schwungmasse aus FKV prüfen die Wissenschaftler unter Betriebsbedingungen. Um die Prüfstandskosten und auch die Prüfdauer gering zu halten, nutzen sie einen skalierten Stellvertreterprüfstand. Der Prüfstand soll so ausgelegt werden, dass der Lebenszyklus eines Schwungmassenspeichers von über 200.000 Ladezyklen im Zeitraffer innerhalb von zwei bis drei Monaten durchfahren werden kann. Dies ermöglicht es, in der Projektlaufzeit die Betriebsfestigkeit von mindestens sechs verschiedenen Rotoren zu untersuchen. Abschließend werden die Rotoren auf dem Prüfstand bis zum Bersten belastet. Die Erkenntnisse aus diesen Versuchen fließen in eine Optimierung der Schutzeinrichtungen ein.

Robuste, elektronikreduzierte Magnetlagersensorik

Im aktiven Magnetlager misst eine Sensorik kontinuierlich die exakte Position des Rotors. Die notwendige hohe Auflösung und Bandbreite macht die Sensorik teuer. Diesen Aufwand wollen die Wissenschaftler auf die minimal notwendige Struktur reduziert. Dazu untersuchen sie zwei Möglichkeiten. Zum einen können sie das Sensorkonzept zu einer Minimalsensorik fortentwickeln, die nur passive Sensorkomponenten innerhalb des Vakuums verwendet. Zum anderen wäre auch die Weiterentwicklung des aktiven Magnetlagers hin zum selbstsensierenden Lager möglich. Letztgenanntes ermöglicht eine Positionsbestimmung über die indirekte Messung der Lagerinduktivität. Beide Sensorkonzepte senken nicht nur die Kosten sondern auch die Ausfallwahrscheinlichkeit, da weniger Bauteile notwendig sind.

Redundantes Magnetlager

Magnetgelagerte Systeme haben in den letzten Jahren sehr eindrucksvoll gezeigt, dass sie längere Standzeiten und geringere Ausfallzeiten als konventionell gelagerten Systemen erreichen. Bezogen auf das Gesamtsystem Schwungmassenspeicher in Außenläufer-Bauform weist die Leistungselektronik der Magnetlagerung dennoch die höchste Ausfallwahrscheinlichkeit auf. In einem Teilvorhaben entwickeln die Wissenschaftler deshalb ein redundantes Magnetlagersystem. Es verursacht lediglich geringe Mehrkosten, ermöglicht aber bei einem Schaden einen sicheren Weiterbetrieb oder zumindest ein sicheres Herunterfahren des Gesamtsystems. Die Ausfallwahrscheinlichkeit des Energiespeichers wird damit weiter reduziert und dessen Verfügbarkeit sichergestellt.

Planetares Fanglager

Fanglager stabilisieren im Falle einer Überlast oder eines Fehlers des Magnetlagers den Rotor. Fanglager stellen so eine hohe Verfügbarkeit des Systems sicher, sind aber in der Regel extremen Belastungen ausgesetzt und versagen häufig nach nur wenigen Einsätzen. Beim Außenläufer ist eine konventionelle Fanglagerung nicht möglich. Die Geometrie als auch die hier hochdynamischen Vorgänge erfordern alternative Konzepte. Die Forscher entwickeln daher ein neuartiges planetares Fanglagerkonzept und erproben es an einem Stellvertreterprüfstand. Die Erkenntnisse dieser Versuche dienen der Auslegung von Fanglagerungen an vollständigen Systemen. Ziel ist es ein tragfähiges, seriennahes Fanglagersystem zu konstruieren, welches die Verfügbarkeit des Schwungmassenspeichers in Außenläuferbauform nachweislich erhöht. Aussagen über die Lebensdauer der Fanglagerung sind dabei von entscheidender Bedeutung und sollten möglichst praxisnah experimentell nachgewiesen werden.

Systemintegration der Einzelergebnisse

Im abschließenden Teilvorhaben tragen die Forscher die Ergebnisse der Teilvorhaben zusammen, um deren Funktionalität im Gesamtsystem zu untersuchen und nachzuweisen. Neben der Steigerung der betriebsfesten Energiedichte soll nachgewiesen werden, dass sich das entwickelte Magnetlagersystem auf das reale System adaptieren lässt. Ebenso soll das entwickelte Fanglagersystem an einem realen Schwungmassenspeicher in Außenläuferbauform eingesetzt werden. Dem übergeordneten Projektziel folgend soll nachgewiesen werden, dass die Teilergebnisse die Kosten pro Energieinhalt deutlich reduzieren und gleichzeitig die Verfügbarkeit des Systems erhöhen.

Projektstatus

Zunächst sollen einzelne Komponenten des bisherigen Energiespeicherkonzepts an Stellvertreterprüfständen getestet werden. Die Prüfstände müssen in den meisten Fällen eigens dafür entwickelt und konstruiert werden. Mittels der Testergebnisse sollen die Komponenten überarbeitet und angepasst werden. Abschließend werden die angepassten Komponenten in einen bereits bestehenden Energiespeicher integriert und im Gesamtsystem getestet. Zurzeit werden mehrere Komponenten-Stellvertreterprüfstände konstruiert und aufgebaut. Die Versuche werden Ende 2016 starten.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

24. April 2017
Group Exhibit Hydrogen + Fuel Cells + Batteries

8. Mai 2017
Energy Storage World Forum 2017

10. Mai 2017
Energy Storage Innovations Europe

» Alle Termine

Projektadressen

Ansprechpartner
  • Lukas Quurck
    Institut für Mechatronische Systeme im Maschinenbau (IMS), Technische Universität Darmstadt
Weitere Adressen

Infobox

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.